固体氧化物燃料电池金属连接体表面双层涂层的制备与性能研究

发布时间：2017-04-17 12:09

  本文关键词：固体氧化物燃料电池金属连接体表面双层涂层的制备与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、洁净的新型能源转化装置,它具有全固态结构、模块化组装、能量转化效率高、燃料适用性广和不需要贵金属作为催化剂等显著优点。金属合金具有材料成本低、气密性好、电导率高、导热性能好、易于加工等优点,逐渐取代传统的陶瓷材料铬酸镧(LaCrO3)被应用于电池的连接体。但是,未经特殊处理的金属合金在典型的SOFC运行环境下会因表面氧化膜形成而不断增大电池堆的接触电阻。此外,在SOFC阴极工作气氛下金属合金挥发出气态Cr会毒化电池阴极,造成电池性能急剧下降。目前,双层涂层被广泛应用于金属连接体的保护涂层,第一涂层作为致密的阻挡层,限制金属基体中铬的往外扩散;第二涂层作为阴极接触层,主要作用是减少金属连接体和电池阴极的接触电阻。钙钛矿结构氧化物(例如La0.6Sr0.4Co O3(LSC),La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3(LSCF),La0.6Sr0.4Cu0.9Fe0.1O3(LSCuF)和Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)等)被广泛应用于阴极接触层,这些钙钛矿型氧化物材料具有与电池的阴极化学兼容性好并且具有很高的电子电导率等优点。但是这些钙钛矿型氧化物的热膨胀系数普遍比较大,并且需要较高的烧结温度才能够烧结致密,而金属合金应用于连接体限制了烧结温度不能太高,为了避免金属合金被过度氧化,需要开发新的涂层制备工艺用于阴极接触层的制备。本文针对金属连接体表面Cr阻挡层的制备工艺复杂且致密度不高,以及高温烧结阴极接触层容易导致金属基体严重氧化等难题,提出一种新的综合方法用于金属连接体表面双层涂层的制备。首先,通过电镀法在经济型不锈钢SUS430表面电镀钴,钴镀层经过后期热处理形成致密的钴基尖晶石阻挡层,然后通过前驱体原位成相法或者液相烧结法制备阴极接触层,以降低接触层的烧结温度,避免金属合金基体在高温空气气氛下被过度氧化。实验结果表明电镀得到的钴镀层致密平整,经热处理后最终形成致密的钴基尖晶石层,该阻挡层与金属基体结合紧密,有效地抑制了基体表面氧化皮的生长和Cr元素的往外扩散,从而提高了金属合金基体在高温环境下的抗氧化性能。在制备阴极接触层时,液相烧结法主要通过添加10wt%的Co3O4作为烧结助剂有效地提高了La0.6Sr0.4CoO3-δ接触层的低温烧结效果,烧结温度降低到900℃。前驱体原位成相法通过先将前驱体在氩气下1100℃烧结,然后空气气氛下800℃成相,有效地减少了对金属基体的高温氧化。在800℃下氧化200小时后,两种方法制备的双层涂层覆盖的SUS430基体的ASR值约为23mΩ·cm2,明显低于无涂层保护的SUS430基体的ASR值64mΩ·cm2,双层涂层有效地改善了SUS430基体的电学性能。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 金属连接体 双层涂层 液相烧结 原位成相
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11-12
• 1.2 燃料电池概况12-20
• 1.2.1 燃料电池的分类14-16
• 1.2.2 燃料电池的应用16-20
• 1.3 固体氧化物燃料电池概述20-25
• 1.3.1 固体氧化物燃料电池原理与构造20-23
• 1.3.2 固体氧化物燃料电池连接体23-25
• 1.4 本文研究的背景和意义25-28
• 第二章 合金表面铬阻挡层的制备28-37
• 2.1 合金基体的选材28-29
• 2.2 阻挡层的材料和制备工艺29-32
• 2.2.1 阻挡层材料介绍29-30
• 2.2.2 阻挡层制备方法介绍30-31
• 2.2.3 电镀工艺介绍31-32
• 2.3 SUS430表面钴镀层的制备32-36
• 2.3.1 实验原料和设备32-33
• 2.3.2 SUS430合金预处理33-34
• 2.3.3 电镀溶液的配制34-35
• 2.3.4 钴镀层制备工艺流程35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 阴极接触层的制备37-48
• 3.1 阴极接触层概述37
• 3.2 阴极接触材料的选择和制备工艺37-39
• 3.2.1 阴极接触材料的选择37-38
• 3.2.2 制备工艺38-39
• 3.3 钙钛矿型钴酸锶镧粉体的制备39-42
• 3.3.1 实验原料和设备39-40
• 3.3.2 甘氨酸-硝酸盐法40-42
• 3.3.3 溶胶-凝胶法42
• 3.4 液相烧结法制备阴极接触层42-44
• 3.5 原位成相法制备阴极接触层44-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 金属连接体表面双层涂层表征和性能测试48-59
• 4.1 涂层物相和微观形貌分析48-53
• 4.1.1 物相分析48-50
• 4.1.2 阻挡层形貌分析50-51
• 4.1.3 双层涂层截面形貌分析51-53
• 4.2 阻挡Cr扩散能力测试53-55
• 4.3 表面比电阻测试55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 结论与展望59-61
• 5.1 结论59-60
• 5.2 研究展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文66-68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 徐序;罗凌虹;胡玮琪;孙良良;石纪军;程亮;;LaCoO_3涂层对SUS430合金连接体的表面改性研究[J];中国陶瓷;2013年12期

2 张辉;王安祺;武俊伟;;固体氧化物燃料电池金属连接体保护膜层研究进展[J];中国腐蚀与防护学报;2012年05期

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本文编号：313172